不同鋅濃度有機肥對土壤酶活性及微生物數量的影響

楊 玖 谷 潔

(1.攀枝花市環境監測中心站，四川 攀枝花 617000；2.西北農林科技大學資源與環境學院，陜西 楊凌 712100)

不同鋅濃度有機肥對土壤酶活性及微生物數量的影響

楊 玖1，2谷 潔2#

(1.攀枝花市環境監測中心站，四川 攀枝花 617000；2.西北農林科技大學資源與環境學院，陜西 楊凌 712100)

采用室內培養方法，探究了含不同質量濃度(600、1 200、1 800mg/kg)鋅的有機肥對土壤酶活性及微生物的影響。結果表明：(1)在整個培養階段，含鋅的有機肥總體顯著抑制土壤脲酶、蔗糖酶、脫氫酶和過氧化氫酶活性，對堿性磷酸酶活性影響不顯著；隨著有機肥中鋅濃度的增大，脲酶、脫氫酶、蔗糖酶活性總體顯著降低。(2)整個培養階段，含1 800mg/kg鋅的有機肥促進土壤中真菌增長；對土壤中細菌總體也有促進作用；對土壤中放線菌呈先抑制后激活的作用，最后趨于穩定。

有機肥 鋅 微生物數量 酶活性

有機肥在現代農業中占有極其重要的地位，是無公害農業和綠色食品生產中的主要肥料。隨著我國農業的發展，隨之產生了大量的農業有機廢棄物。肥料化是處理農業有機廢棄物經濟有效的措施之一。畜禽糞便、動植物殘體等富含有機質的副產品資源是生產商品有機肥的重要來源，這些物料所制成的有機肥雖然可提供有機質和部分微量元素，但目前的有機肥已發生了質的變化，存在著嚴重的安全隱患。目前，由于飼料廠和養殖場普遍采用高銅、高鐵和高鋅等微量元素作為飼料添加劑，少量元素被動物吸收，大約有95%(質量分數)以上的重金屬隨著尿液糞便排出體外，導致畜禽糞便中重金屬含量增加，進一步導致以畜禽糞便作為原料的有機肥中重金屬含量增加。研究結果表明，有機肥料中鋅、銅、鎘、鉛分別為0.75～459.87、0.11～164.95、0.02～6.56、0.07～35.93 mg/kg[1]。土壤酶作為土壤組分中最活躍的有機成分之一，其活性不僅能反映土壤微生物活性，而且能表征土壤養分轉化和運移能力，是評價土壤肥力、生態環境質量優劣的重要參數之一[2]。目前，有關含重金屬污染的有機肥對土壤酶活性的影響研究較少，主要集中在豬糞、雞糞等未經處理的有機肥直接施入土壤的影響[3]，同時我國目前還沒有堆肥中重金屬限量的相關標準，但在歐洲很多國家，則制定了堆肥中重金屬的限量標準[4-5]。通過向自制有機肥(豬糞和小麥秸稈堆腐后的有機肥)中添加重金屬鋅，筆者研究了施用含不同濃度鋅的有機肥對土壤酶活性及微生物數量的影響，從而進一步研究了含鋅有機肥在土壤環境中的生態效應及其對生態環境的潛在危害，同時也為有機肥的安全施用、環境監測與保護提供依據。

表1 有機肥與土壤的化學性質

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用硫酸鋅為分析純。有機肥以豬糞(不含任何飼料添加劑)和小麥秸稈為原料在靜態堆肥發酵罐中堆制而成。向所得的有機肥中添加不同含量的硫酸鋅溶液即制得含不同濃度鋅的有機肥。供試土壤采自西北農林科技大學新天地無公害蔬菜生產試驗基地的表層(0～20 cm)土，為塿土。有機肥與土壤的化學性質見表1。

1.2 試驗設計

1.2.1 含鋅有機肥的制備及試驗處理

根據報道，由豬糞為原料生產的有機肥中鋅為40.5～2 286.8 mg/kg[6-7]。本試驗設置4個處理：(1)CK處理，腐熟后的有機肥，未添加外源污染的鋅，即為對照；(2)T1處理，腐熟后的有機肥中鋅為600 mg/kg；(3)T2處理，腐熟后的有機肥中鋅為1 200 mg/kg；(4)T3處理，腐熟后的有機肥中鋅為1 800 mg/kg。每處理設3個重復。恒溫培養箱中培養7 d，使得有機肥中微生物菌落達到平衡穩定。

1.2.2 土壤培養試驗

土壤于避光處風干，過2 mm篩，備用。按5%(質量分數)加入有機肥，混勻后倒入2 L的燒杯中，每燒杯裝有1.5 kg土壤。調節田間持水量60%，用parafilm封口膜將燒杯口蓋住，留6～8個直徑為1 mm的小洞在封口膜上，使燒杯內氣體和外界流通，以保持微生物活性。恒溫培養箱中黑暗培養，培養溫度為(25±1) ℃，培養過程中損失的水分通過稱重法補充。培養第10、20、30天分別取樣分析。土壤樣品經2 mm過篩，4 ℃保存，測定相關指標。

1.3 測定方法

土壤中有機碳采用重鉻酸鉀法測定，全氮采用凱氏法測定，全磷采用釩鉬黃比色法測定，全鋅采用火焰原子吸收分光光度法(HCl+HNO3+HClO4消解)測定、全鉀采用火焰光度計法測定[8]。

土壤酶活性分析測定參照文獻[9]。蔗糖酶活性測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法，以1 g土壤24 h產生的葡萄糖質量表示；脲酶活性測定采用苯酚鈉比色法，以24 h內1 g土壤中產生的氨氮質量表示；堿性磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法，以24 h內1 g土壤中產生的酚質量表示；過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀滴定法，以1 g土壤培養1 min消耗的0.1 mol/L KMnO4的體積表示，培養20 min；脫氫酶活性測定采用三苯基氯化四唑(TTC)比色法，以1 h內1 g土壤中生成三苯基甲臜(TF)的質量表示。土壤中細菌、真菌和放線菌數量采用稀釋平板法測定。

1.4 數據處理

數據采用Microsoft Excel 2003及The SAS System for Windows V8進行處理；利用DPS v7.05版進行差異顯著性分析，差異顯著性檢驗方法是最小顯著性差異檢驗法(LSD)。

2 結果與分析

2.1 不同鋅濃度有機肥對土壤中脲酶活性的影響

隨著有機肥中鋅濃度的增大，脲酶活性總體逐漸降低，這跟楊紅飛等[10]研究結果相似；但隨著時間的延長，脲酶活性均提高(見圖1)。這可能是由于土壤培養試驗所設置的環境條件(溫度及濕度等)較自然條件更有利于微生物的生長所致。

注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)，相同字母表示差異不顯著。圖2至圖5、表2至表4同。

圖1施用不同鋅濃度有機肥對土壤中脲酶活性的影響
Fig.1 The influence of organic fertilizer added with Zn on soil urease activities

2.2 不同鋅濃度有機肥對土壤中堿性磷酸酶活性的影響

土壤中堿性磷酸酶活性直接影響著土壤中有機磷的分解轉化及其生物有效性。由圖2可以看出，施肥10 d后，T1處理的堿性磷酸酶活性顯著高于CK及其他處理，表明低質量濃度(600 mg/kg)的鋅激活了堿性磷酸酶的活性；鋅質量濃度≥1 200 mg/kg時，抑制堿性磷酸酶活性。其原因可能：(1)有機肥中的有機物與鋅發生絡合或吸附反應，使得鋅的有效性降低，削弱了鋅的生物毒性；(2)含鋅有機肥的施入可提高土壤中微生物種群的多樣性，增強土壤的新陳代謝能力，使得部分對鋅有抵抗力的耐性菌種隨時間的增加逐漸生長和繁殖[11]。各處理對堿性磷酸酶活性的抑制作用在培養第20天時達到最大；第30天，各處理中堿性磷酸酶活性較第20天略有升高，這與向彬等[12]研究一致。

圖2 施用不同鋅濃度有機肥對土壤中堿性磷酸酶活性的影響Fig.2 The influence of organic fertilizer added with Zn on soil alkaline phosphatase activities

2.3 不同鋅濃度有機肥對土壤中蔗糖酶活性的影響

由圖3可以看出，各處理中土壤蔗糖酶活性隨著培養時間的延長呈現下降趨勢。培養第30天，各處理蔗糖酶活性達到最低值，且隨著鋅濃度的增大，各處理間蔗糖酶活性差異顯著，其活性分別較第10天減少了74.7%、75.8%、88.3%、93.0%。整個培養期間，含鋅有機肥對土壤中蔗糖酶活性具有顯著的抑制作用。

圖3 施用不同鋅濃度有機肥對土壤中蔗糖酶活性的影響Fig.3 The influence of organic fertilizer added with Zn on soil invertase activities

2.4 不同鋅濃度有機肥對土壤中脫氫酶活性的影響

脫氫酶是土壤氧化代謝和微生物活性的指示者，是與呼吸過程、活細胞有關的重要胞內酶。有學者發現可用脫氫酶活性作為土壤微生物活性的指示者[13]。由圖4可見，CK處理土壤中脫氫酶活性顯著高于其他處理。在整個培養時期，隨著鋅濃度的增大，脫氫酶活性降低。第20天，各處理脫氫酶活性升高，較第10天增加了75.4%、46.4%、173.4%和192.7%，這可能和有機肥在土壤中的降解速率等有關。

圖4 施用不同鋅濃度有機肥對土壤中脫氫酶活性的影響Fig.4 The influence of organic fertilizer added with Zn on soil dehydrogenase activities

2.5 不同鋅濃度有機肥對土壤中過氧化氫酶活性的影響

土壤過氧化氫酶促進過氧化氫的分解以防止其對生物體的毒害作用。由圖5可知，施入含鋅有機肥土壤中過氧化氫酶活性顯著低于CK處理，表明有機肥中的鋅可抑制過氧化氫酶活性。在整個培養階段，T2處理對過氧化氫酶活性的抑制作用最大；T1、T3處理抑制作用較小，兩者間差異總體不顯著。T3處理對過氧化氫酶活性抑制作用總體比T1、T2處理弱，其原因可能有：(1)有機肥中的有機質可在一定程度上阻礙重金屬離子與酶的活性中心或其他基團結合而降低酶的活性[14]，從而減緩了鋅對過氧化氫酶活性的抑制作用；(2)高濃度鋅的有機肥處理中可能產生了耐性菌株，從而緩解了過氧化氫酶活性的抑制作用。

圖5 施用不同鋅濃度有機肥對土壤中過氧化氫酶活性的影響Fig.5 The influence of organic fertilizer added with Zn on soil catalase activity

2.6 不同鋅濃度有機肥對土壤中真菌的影響

由表2可以看出，培養第10天，T1、T2處理中土壤真菌顯著低于CK、T3處理，即T1、T2處理呈現了一定的抑制作用。第20天，T2、T3處理中土壤真菌顯著高于CK處理，土壤真菌呈現了一定的激活作用，其激活率分別為140.7%、184.3%；T1處理表現出了一定的抑制作用，其抑制率為56.5%。第30天，T1、T3處理表現出一定的激活作用。同時，在培養過程中，菌落特征大部分相似，且呈優勢菌落，這有可能是土壤中產生了大量的耐性菌株，使得土壤真菌數量增加，種類減少。

表2 含鋅有機肥對土壤真菌的影響1)

注：1)樣本數為3，表3、表4同。

2.7 不同鋅濃度有機肥對土壤細菌的影響

由表3可以看出，與CK處理相比，施入含鋅有機肥后的第10天，T2、T3處理對土壤細菌呈現了一定的抑制作用，其抑制率分別為50.9%、21.8%；第20天，T3處理對土壤細菌呈現了一定的激活作用；第30天，各處理均表現出顯著的激活作用，其激活率分別為236.2%、68.9%、122.4%。含高濃度鋅有機肥對土壤細菌有一定的激活作用，可能的原因是土壤中產生了大量的耐性菌，并形成優勢菌種。

表3 含鋅有機肥對土壤細菌的影響

2.8 不同鋅濃度有機肥對土壤放線菌數量的影響

由表4可以看出，與CK處理相比，施加含鋅有機肥后的第10天，隨著鋅濃度的增加，土壤放線菌逐漸減少，表現出抑制的作用，T1～T3處理的抑制率分別為12.8%、19.9%、40.4%；與第10天相比，第20天，各處理放線菌均有上升的趨勢，且T3處理中放線菌顯著高于CK處理，對土壤放線菌呈激活作用，其激活率為12.1%；第30天，CK、T2、T3處理土壤放線菌數量無顯著性差異，但T1處理表現出顯著的激活作用。

表4 含鋅有機肥對土壤放線菌的影響

3 討 論

有機肥中的重金屬以金屬離子或與無機、有機物生成化合物形式存在。重金屬對土壤酶的作用有：(1)重金屬離子作為酶合成的輔基，改變酶催化反應平衡性質和酶蛋白的表面電荷，促進微生物生長和酶合成；(2)重金屬作用酶的底物從而誘導了酶活性[15]；(3)由于一些微生物能在高濃度的重金屬環境下生存，產生了抗性酶活性，菌落數量、結構發生變化從而影響酶活性[16]。重金屬與土壤酶沒有專一性對應關系[17]。

含鋅有機肥對土壤中堿性磷酸酶活性影響相對不大，對另外4種土壤酶(過氧化氫酶、脫氫酶、脲酶和蔗糖酶)活性有不同程度的影響。重金屬對土壤酶活性的影響較復雜。由于重金屬進入土壤后，重金屬可溶態含量較高，對微生物有一個明顯的抑制作用，但隨著時間推移，重金屬的固定作用增強，土壤可溶態重金屬含量降低，微生物逐漸適應土壤環境，微生物數量、活性、群體結構也逐漸趨于穩定。

綜上所述，有機肥中不同濃度鋅對不同土壤酶活性的作用不同，且各種酶之間可能存在一定的關系，很難利用某些土壤酶活性的變化來指示某一特定重金屬污染，不僅是因為不同時間各處理對土壤酶活性影響的差異沒有明顯的規律，土壤酶活性受其他環境因素的影響；且土壤微生物的種類和數量又在某種程度上決定土壤酶的來源[18]。因此，尋找一個敏感、合適的植物指標來直觀地檢測土壤重金屬污染，仍是環境污染學和土壤酶學的主要研究方向之一。

4 結 論

(1) 隨著培養時間的延長，含不同濃度鋅的有機肥對土壤酶活性表現出不同的作用。在整個培養階段，含鋅的有機肥總體顯著抑制土壤脲酶、蔗糖酶、脫氫酶和過氧化氫酶活性，對堿性磷酸酶活性影響不顯著；隨著有機肥中鋅濃度的增大，脲酶、脫氫酶、蔗糖酶活性總體顯著降低。

(2) 不同培養階段，含不同濃度鋅的有機肥對土壤中微生物的數量影響各不相同。在整個培養階段，含1 800 mg/kg鋅的有機肥促進土壤中真菌增長；對土壤中細菌總體也有促進作用；對土壤中放線菌呈先抑制后激活的作用，最后趨于穩定。

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Effectsoforganicmaterialscontainingzinconenzymeactivityandsoilmicrobes

YANGJiu1，2，GUJie2.

(1.PanzhihuaEnvironmentalMonitoringCenter，PanzhihuaSichuan617000；2.CollegeofResourcesandEnvironment，NorthwestA&FUniversity，YanglingShaanxi712100)

The changes of enzyme activity soil and microbe number in soil with addition of fertilizer containing different concentrations (600，1 200，1 800 mg/kg) of the heavy metal zinc were studied by the indoor cultivation. The result showed that the urease activity,invertase activity，dehydrogenase activity and catalase activity were obviously reduced，after the organic fertilizer containing zinc was applied into the soil. While zinc had no significant effect on the activity of the soil alkaline phosphatase. With the concentrations of zinc increasing,urease activity,dehydrogenase activity and invertase activity were decreased significantly. During the culture stage,the oganic fertilizer containing 1 800 mg/kg zinc promoted the amount of fungi and bacteria. The effects of zinc in the organic fertilizer on the amount of actinomycetes were mainly for activation and presented “inhibition-activation” tendency and then finally trends to be stable.

fertilizer； zinc； microbe number； soil enzyme activity

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.013

2016-03-04)

楊 玖，女，1989年生，碩士，助理工程師，主要從事環境監測工作。

#通訊作者。